RU1786634C - Генератор синусоидальных колебаний - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к радиотехнике и может использоватьс  в качестве источника мощных синусоидальных колебаний дл  ультразвуковой очистки различных деталей. Целью изобретени ,  вл етс  расширение динамического диапазона регулировани  выходного напр жени  и повышение стабильности выходного напр жени  при изменении нагрузки. Генератор синусоидальных колебаний содержит управл емые ключи рекуперирующие диоды, конденсаторы емкостного делител , катушИзобретение относитс  к усилительной технике и мoжet быть использовано в мощных генераторах синусоидальных колебаний. Известен генератор, содержащий вре- м задающую цепь, мощный выходной усилитель , который регулируетс  внешним управл ющим сигналом. Недостаток подобного генератора - низкий КПД, мала  выходна  мощность (дес тки ватт), низкий диапазон регулировани  уровн  выходного сигнала генератора. Известен генератор, который содержит врем задающую цепь, тиристорный ключ. ки индуктивности, конденсаторы, выходной трансформатор, нагрузку, источник питани , импульсные усилители, управл ющий трансформатор, трансформатор обратной св зи, выпр мительные диоды, генерлтор пр моугольных импульсов, второй и первый элементы совпадени , третий и четвертый .элементы совпадение, первый, второй и третий элементы И-НЕ, второй и первый RS-триггеры, компараторы, интеграторы, сумматоры, блок формировател  управл ющих сигналов. С помощью второго и третьего элементов И-НЕ и третьего и четвертого элементов совпадени  образуютс  импульсные обратные св зи, которые исключают возможность пропуска импульсов и обеспечивают стабилизацию выходного напр жени .. Катушка индуктивности и конденсатор уменьшают вли ние нагрузки, что также повышает стабильность выходного напр жени . При повышении стабильности повышаетс  и диапазон регулировани  выходного напр жени  с помощью блока формировател . 2 ил. . нагрузку. Недостатком его  вл етс  низкий КПД, небольшой диапазон изменени  амплитуды выходного напр жени  и низка  его стабильность при изменении напр жени  питающей сети и нагрузки. Известен генератор, содержащий сило- вые транзисторные ключи, коммутирующие диоды, источник подмагничивани , регулируемый по частоте и скважности задающий генератор, согласующий трансформатор. Недостатком его  вл етс  пониженный КПД, низка  стабильность выходного сигнала при изменении напр жени  питани  и со с х| оо О С СО -N

Description

сопротивлени  нагрузки, малый динамический диапазон выходного напр жени .

Наиболее близким к за вл емому устройству подходит устройство, содержащее четыре силовых транзистора, рекуперирующие диоды, интеграторы, RS-триггеры, выходной трансформатор, трансформатор обратной св зи. Недостатком подобного устройства  вл етс  низкий динамический ди- апазон- регулировани  выходного напр жени  и йала  его стабильность при изменении сопротивлени  нагрузки.

Цель изобретени  - расширение динамического диапазона регулировани  выходного напр жени  и повышение его стабильности при изменении сопротивлени  нагрузки,

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее четыре согласно последовательно соединительных управл емых ключа, четыре рекуперирующих диода , емкостной делитель, четыре импульсных усилител , управл ющий трансформатор, две индуктивности, два конденсатора, выходной трансформатор, трансформатор обратной св зи, два выпр мительных диода, два сумматора, два интегратора, два компаратора , два RS-триггера, два элемента И, элемент И-НЕ, генератор пр моугольных импульсов, блок формировател  управл ющих сигналов, причем управл ющие входы четырех управл емых ключей соединены с соответствующими выходами четырех импульсных усилителей, входы которых соединены с соответствующими вторичными обмотками управл ющего трансформатора, Вход первого управл емого ключа соединен с положительной шиной источника питани , катодом первого рекуперирующего диода и первым конденсатором емкостного делител , причем анод первого рекуперирующего диода соединен с катодом второго рекуперирующего диода, выходом второго и входом третьего управл емого ключа, а анод второго рекуперирующего диода соединен с отрицательной шиной источника питани , вторым конденсатором емкостного делител  и выходом четвертого управл - емого ключа, причем катод третьего рекуперирующего диода соединен с выходом первого и входом второго управл емого ключа, а анод четвертого рекуперирующего диода - с входом-четвертого управл емого ключа, а анод третьего и катод четвертого рекуперирующих диодов соединены со средней точкой емкостного делител , нагрузка соединена со вторичной обмоткой выходного трансформатора, причем первична  обмотка трансформатора обратной св зи и последовательно соединенные перва  индуктивность и первый конденсэтор

подключены между выходом второго управл емого ключа и средней точкой емкостного делител , втора  обмотка трансформатора обратной св зи соединена с анодами первого и второго выпр мительных диодов, катоды которых соединены с первыми входами первого и второго сумматоров соответственно , а средн   точка обмотки соединена с общей информационной шиной, причем

0 второй вход первого и второго сумматоров объединены и соединены с выходом блока формировател  управл ющих сигналов, а выход первого и второго сумматоров соединены со входами первого и второго интегра5 торов соответственно, выход первого и второго интеграторов соединены со входами первого и второго компараторов соответ- ственно, а выходы первого и второго компараторов соединены с R-входами пер0 вого и второго RS-триггеров соответственно , выходы которых соединены с первыми входами первого и второго элемента И соот- ветственно, причем выходы первого и второго элемента И соединены с первичной

5 обмоткой управл ющего трансформатора, второй вход первого элемента И соединен с С-входом первого RS-триггера и выходом первого элемента И-НЕ, вход которого соединен с С-входом второго RS-триггера, вто0 рым входом второго элемента И и выходом генератора пр моугольных импульсов. Введены дополнительно второй и третий элементы И-НЕ,.третий и четвертый элементы И, причем входы второго и третьего элемента

5 И-НЕ соединены с катодом первого и второго выпр мительных диодов соответственно, а выходы второго и третьего элемента И-НЕ соединены с первыми входами третьего и четвертого элемента И, вторые входы которых

0 соединены с выходами первого и второго элемента И соответственно, а выходы третьего и четвертого элемента И соединены с третьими входами первого и второго сумматоров соответственно , параллельно первому конденса5 тору подключены последовательно соединенные втора  индуктивность и второй конденсатор, причем параллельно второму конденсатору подключена первична  обмотка выходного трансформатора.

0 На фиг. 1 дана электрическа  схема устройства; на фиг,2 - диаграммы работы устройства. Генератор синусоидальных колебаний содержит управл емые ключи 1-4, рекуперирующие диоды 5-8, конденсаторы 9, 10

5 емкостного делител , катушки 11 и 12 индуктивности , конденсаторы 13 и 14, выходной трансформатор 15, нагрузку 16, источник 17 питани , импульсные усилители 18-21, управл ющий трансформатор 22, трансформатор 23 обратной св зи, выпр мительные диоды 24 и 25, генератор, 26, четыре элемента И 27-30, три элемента И- НЕ 31-33,, два RS-триггера 34 и 35, два компаратора 36 и 37, два интегратора 38 и 39, два сумматора 40 и 41, блок 42 формировател  управл ющих сигналов. При этом выход блока 42 формировател  управл ющих сигналов подключен к первым входам сумматоров 40 и 41, вторые входы которых соединены с катодами выпр мительных диодов 25 и 24 и входами элементов И-НЕ 32 и 33 соответственно, третьи входы сумматоров 40 и 41 соединены с выходами элементов И 29 и 30 соответственно, причем выходы сумматоров 40 и 41 соединены с входами интеграторов 38 и 39 соответственно, выходы которых соединены с входами компараторов 36 и 37 соответственно, выходы которых соедшены с R-входами RS-трйггеров 35 и 34 соответственно, выходы которых соединены с первым входом элементов 14 28 и 27 соответственно, причем второй вход элемента И 27 соединен с синхровходом С RS- триггера 35 и выходом элемента И-НЕ 31, вход которого соединен с синхровходом С RS-триггера 34, вторым входом элемента И 27 и выходом генератора 26, причем выходы элементов И 27 и 28 соединены с первыми входами элементов И 29 и 30 соответственно и первичной обмотки, управл ющего трансформатора 22, вторые входы элементов И 29 и 30 соединены с выходами элементов 32 и 33 соответственно, причем вторичные обмотки управл ющего трансформатора 22 соединены с входами соответствующих импульсных усилителей 18-21, выходы которых соединены с управл ющими входами управл емых ключей 1-4 соответственно, причем вход управл емого ключа 1 соединен с положительной шиной источника 17 питани , катодом рекуперирующего диода 5 и одной обкладкой конденсатора 9 емкостного делител , друга  обкладка которого соединена с точкой соединени  первой обкладки конденсатора 10 емкостного делител , катодом рекуперирующего диода 8 и анода диода 7, катод которого соединен с выходом управл емого ключа 1 и входом управл емого ключа 2, выход которого соединен с анодом диода 5, катодом рекуперирующего диода 6 и входом управл емого ключа 3, выход которого соединен с анодом рекуперирующего диода 8 и входом управл емого ключа 4, выход которого соединен с анодом рекуперирующего диода б, второй обкладкой конденсатора 10 емкостного делител  и отрицательной шиной источника питани , причем выход управл емого ключа 2 соединен с одним концом катушки 11 индуктивности и одним концом первичной обмотки трансформатора 23 обратной св зи, а второй конец катушки 11 индуктивности соединен с одним концом катушки 12 индуктивности и

5 первой обкладкой конденсатора 13, второй конец катушки 12 индуктивности соединен с первой обкладкой конденсатора 14, причем втора  обкладка конденсатора 14 соединена со второй обкладкой конденсатора 13 и вто0 рым концом первичной обмотки трансформатора 23 обратной св зи, причем параллельно конденсатору 14 подключена первична  обмотка выходного трансформатора 15, вторична  обмотка которого соединена с нагрузкой.

5 16, причем аноды выпр мительных диодов 24 и 25 соединены с началом и концом вторич- ной обмотки трансформатора 23 обратной св зи, соответственно, средн   точка которой соединена с общей информационной шиной.

0 Устройство работает следующим образом .

Перестраиваемый генератор 26 (фиг.1) вырабатывает сигнал пр моугольной формы со скважностью два (фиг.2, б). Частота

5 следовани  сигнала может перестраиватьс . С помощью блока 42 формировател  управл ющих сигналов устанавливаетс  требуемое выходное напр жение на нагрузке 16. Отрицательное напр жение с движка

0 потенциометра блока 42 формировател  управл ющих сигналов поступает на первый вход сумматора 40 и 41 (момент ti-ts, фиг.2,а) и зар жает конденсаторы интеграторов 38 и 39. При этом напр жение на

5 выходах интегратора увеличиваетс  по пилообразному закону (фиг.2,в),i,

Поскольку схема управлени  симметрична , то оба канала, содержащие: первый - сумматор 40, интегратор 38, компаратор

0 36, RS-триггер 35, элементы И 28 и 29, элемент И-НЕ 32; второй -сумматор 41, интегратор 39, компаратор 37, RS-триггер 34, элементы И 27 и 30, элемент И-НЕ 33 - работают идентично. Таким образом, мож5 но рассмотреть работу схемы на примере одного, первого, канала. Напр жение с выхода интегратора 38 поступает на вход ком- паратора 36. Поскольку на выходе интегратора имеетс  положительный потен0 циал (фиг.2, г, моменты ti-ta). С приходом тактового импульса (фиг,2, б, момент ti) положительный потенциал через логический элемент И 28 поступает на первичную обмотку управл ющего трансформатора 22, а

5 через логический элемент И 29 - на первый резистор сумматора 40 (фиг.2, д) и начинает разр жать конденсатор интегратора 38

(фиг.2, в, момент ti-tz). Положительный импульс через импульсные усилители 18 и 20 поступает на управл ющие входы управл емых ключей 1 иЗ соответственно. При этом управл емый ключ 1 открываетс  с задержкой на врем  Тз.вкл, а управл емый ключ 3 закрываетс  (при этом управл емый ключ 2 открыт, а управл емый ключ 4 - закрыт). Задержка включени  управл емого ключа 1 (и управл емого ключа 4) необходима дл  предотвращени  сквозных токов при работе устройства. На вторичной обмотке трансформатора 23 обратной св зи по вл етс  импульс положительной пол рности, который через выпр мительный диод 2.5 поступает на второй вход сумматора 40 и на вход логического элемента Й-НЕ 32, импульс на выходе элемента И 29 прекращаетс  (фиг.2 д, момент ta), и конденсатор интегратора 38 разр жаетс  импульсом с выпр мленного диода 25, напр жение на выходе интегратора 38 уменьшаетс  до тех пор, пока напр жение на его /выходе не достигнет нул  (фиг.2, в, моментт.з). На выходе компаратора

36.по вл етс  уровень логического нул  (фиг.2, г, момент Тз), который переводит выход RS-триггёра 35 по входу R в состо ние логического нул . При этом на выходе логического элемента И 28 импульс прекращаетс , управл емый ключ 1 выключаетс  через врем  Гз.выкл, прекращаетс  ток обратной св зи через выпр мительный диод 25, и конденсатор интегратора 38 начинает зар жатьс  отрицательным напр жением с выхода блока 42 формировател  управл ющих сигналов. Таким образом, формируетс  положительна  полуволна на выходе транзисторного инвертора (выход управл емого ключа 2, вход управл емого ключа 3) (фиг.2,ж, момент ta-t). Аналогичным образом формируетс  отрицательна  полуволна с помощью Сумматора 41, интегратора 39, компаратора

37. RS-триггера 34, элемента И 27. Импульс с выхода элемента И 27 поступает на первичную обмотку трансформатора 22, а с выхода элемента И 30 - на первый вход сумматора 41 и начинает разр жать конденсатор интегратора 39. Положительный импульс с вторичной обмотки трансформатора 22 через импульсные усилители 19 и 21 поступает на управл ющие входы управл емых ключей 2 и 4 соответственно, при чем управл емый ключ 2 закрываетс , а ключ 4 открываетс  с задержкой на врем  Та.вкл., при этом управл емый ключ 1 закрыт, а ключ 3 открыт и на вторичной обмотке трансформатора 23 обратной св зи по вл етс  импульс положительной пол рности (при этом импульс на выходе элемента И 30 прекращаетс ), который через выпр мительный диод 24 поступает на второй вход сумматора 41 и разр жает конденсатор интегратора 39.

При достижении напр жени  на выходе конденсатора 13 нулевого уровн  импульс на выходе элемента И 27 прекращаетс , тра нзистор включаетс  через врем 

Тз.выкл.. и конденсатор интегратора 39 начинает зар жатьс  отрицательным напр жением с движка потенциометра блока 42 формировател  управл ющих сигналов. Регулирование выходного напр жени 

0 на нагрузке осуществл етс  изменением напр жени  на выходе одного (нижнего по схеме) потенциометра блока 42 формировател  управл ющих сигналов. Верхний по схеме потенциометр блока позвол ет регу5- лировать глубину внешней модул ции сигналом более низкой частоты, чем тактова  частота генератора 26. При этом в нагрузке 16 будет иметь место амплитудно-модули- рованный сигнал с регулируемой, амплиту0 дои и глубиной модул ции. Величина напр жени  на нагрузке измен етс  от нул  до максимального значени .

Однако при глубоком регулировании, когда уровень выходного сигнала в нагрузке

5 должен быть на уровне нескольких процентов от номинального значени  из-за задержек выключени  управл емых ключей и задержек тракта обратной св зи возникает такое  вление, при котором конденсатор ин0 тегратора может не успеть зар дитьс  до величины, при которой на выходе интегратора будет положительный потенциал к моменту прихода тактового импульса. Это приведет к пропуску импульса на выходе

5 инвертора; т.к. снизит тактовую частоту. При этом частота по мере уменьшени  уровн  входного сигнала может понижатьс  в 2,4,6... раз, что значительно снижает линейность регулировани  выходного напр же0 ни (т.к.оно измен етс  скачком) и ухудшает работу выходного трансформатора, трансформатора обратной св зи и может привести к выходу устройства из стро .

В за вл емом устройстве это  вление

5, отсутствует. Пусть в моменты времени ts-te уровень напр жени  с выхода узла управлени  блока 42 уменьшаетс . При этом ширина импульсов на выходе инвертора (выход управл емого ключа 2, вход управл емого

0 ключа 3) уменьшаетс , а напр жение на выходе интегратора уменьшаетс  до некоторой положительной величины, после которой ширина импульсов на выходе инвертора будет равна нулю (фиг.2, ж, момент

5 te). В этом случае врем  задержки выключени  управл емых ключей инвертора не приводит к глубокой перезар дке конденсатора интегратора отрицательным напр жением за счет наличи  дополнительной импульсной обратной св зи с выходов логических

элементов И 29 и 30 на соответствующие входы сумматоров 40 и 41. Как только уровень сигнала на выходе блока 42 управлени  возрастет И по витс  импульс на выходе инвертора (фиг.2, ж, момент ta) и соответст- 5 венно на катодах выпр мительных диодов 24 и 25, импульс на выходах Элементов И 29 и 30 прекращаетс  (фиг.2, д, момент т.2), система переходит на обычную импульсную обратную св зь, котора  и обеспечивает 1Q стабилизацию уровн  выходного напр жени  в нагрузке при изменении напр жени  сети. На фиг.2,ж показана форма выходного напр жени  при изменении уро вн  сигнала на выходе блока 42. Наличие двух импульс- 15 . ных обратных св зей позвол ет при переходе от одной к другой исключить возможность пропуска импульсов, т.е. перехода на более низкую частоту и обеспечивает высокие динамические характеристики 20 регулировани  выходного Напр жени  и его стабилизацию при изменении напр жени  питани  ± EL

Пусть в какой-то момент времени происходит увеличение напр жени  источника 25 питани  ± EI на величину ДЕ-), при этом амплитуда импульсов на выходе инвертора (выход управл емого ключа 2) увеличиваетс , а величина напр жени  на выходе выпр - мительных диодов 25 и 24 также 30 увеличиваетс , что приводит к быстрейшему разр ду конденсаторов интеграторов 38 и 39. Это приведет к тому, что импульс на выходе инвертора закончитс  раньше. При этом площадь импульса Si Е Ти1 ( Е + Д Е ) 35 будет неизменной, т.е. при изменении напр жени  питающей сети действующее напр жение на выходе инвертора будет посто нным, что позвол ет устранить пульсацию питающей сети, ток и ее нестабиль- 40 ность на выходе инвертора. На выход инвертора через систему св занных конту- ров и выходной трансформатор подключена нагрузка. Первый контур состоит из конденсатора 13-С1 и индуктивности 11-L1, а вто- 45 рой контур - из конденсатора 14-С2 и индуктивности 12-L2.

Оба контура построены в резонанс на частоту первой гармоники инвертора. На- 50 пр жение на выходе второго контура L2C2 можно записать как

;UBb,.2 -:Q,0) где. Uex.2 - напр жение на входе второго контура, т.е. Uci - напр жение на конденса- 55 торе 13-С1; Q-добротность второго контура . Выражение (1) можно переписать в виде

U, ,RH .2 -ргде RH - сопротивление нагрузки; pi. - волновое сопротивление контура L.2C2. Величина Uex.2 равна выходному напр жению ивых1 первого резонансного контура LTC.1. т.е.

ивых1 ивх.(3)

ивых1 ивх QL поскольку .

./31 Кн1

.. П Р1 .

Так как контуры построены на частоту резонанса , то величина сопротивлени , на которое нагружен первый контур, равна

UBblX.1 U8

(4)

-„:/

RH1 Г2

RH

(5)

5 1Q 15 20

25 30 35 40 45

50

55

Подставив (5) в (4), получим ивых1 ивх--- -

(6)

/01 RH

Тогда, подставив в формулу (2) выражение (6), получим

.ЈJLlRH l,BX.Ј2 вх р

ивых-UE

(7).

р RH рг Из выражени  (7) видно, чтб при посто нной величин/32 и/ величина выходного напр жени  пр мо пропорциональна входному напр жению. Если входное напр жение будет стабильно, то и выходное напр жение будет стабильным.

Итак при стабильности входного напр жени  контура, котора  обеспечиваетс  с помощью стабилизации напр жени  с выхода инвертора за счет импульсной обратной св зи, выходное напр жение на нагрузке, согласно формуле (7), будет стабильно. Та ким образом, осуществл етс  стабилизаци  напр жени  в нагрузке без использовани  обратной св зи с нагрузки, что в свою очередь значительно повышает устойчивость работы всей системы, т.к. в цепи обратной св зи нет звеньев второго пор дка.

Claims (1)

1. Формула и з о б р е т е. н и  .

   Генератор синусоидальных колебаний, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок интегри- ровани , первый компаратор, первый RS-триггер и первый элемент совпадени , последовательно соединенные второй сумматор , в торой блок интегрировани , второй компаратор, второй RS-триггер и второй элемент совпадени , формирователь управл ющих сигналов, выход которого подключен к одному из входов первого сумматора и к одному из входов второго сумматора, последовательно соединенные генератор пр моугольных импульсов и первый элемент И-НЕ, управл ющий трансформатор, первый и второй выводы первичной обмотки которого подключены к выходам соответственно первого элемента совпадени  и второго элемента совпадени , а перва , втора , треть  и четверта  выходные обмотки которого подключены к входам соответственно первого , второго, третьего и четвертого импульсных усилителей, цепь коммутации, состо щую из последовательно соединенных первого, второго , третьего и четвертого управл емых ключей, котора  включена между положительной и отрицательной шинами питани , емкостный делитель, который включен между положительной и отрицательной шинами питани , первый, второй, третий и четвертый рекуперирующие диоды, выходной трансформатор, трансформатор обратной св зи, первый и второй выводы первичной обмотки которого подключены через соответственно первый и второй выпр мительные .диоды к одному Из входов соответствен нб первого и второго сумматоров, последовательно соединенные первую катушку индуктивности и первый конденсатор, точка соединени  которых подключены к первому выводу первичной обмртки выходного трансформатора , второй вывод которой подключен к катоду четвертого рекуперирующего диода, аноду первого рекуперирующего диода , отводу ёмкостного делител  и первому выводу вторичной обмотки трансформатора обратной св зи, а также нагрузку, котора  подключена к вторичной обмотке выходного трансформатора, при этом второй вход второго Элемента совпадени  и синхронизирующий вход второго RS-триггера подключены к выходу генератора пр моугольных импульсов , синхронизирующий вход первого RS- триггера и второй вход первого элемента совпадени  подключены к выходу первого элемента И-НЕ, выходы первого, второго, третьего и четвёртого импульсных усилителей подключены к управл ющим входам соотёет- СтвённО первого, второго, третьего и четвертого управл емых ключей, анод первого рекуперирующего диода подключен к отводу емкостного делител , катод первого рек упе- рирующего дйода соединен с выходом.й входом соответственно первого и второго управл емых ключей, катод второго рекуперирующего диода подключен к положительной шине питани , анод второго рекуперирующего диода соединен с выходом второго управл емого ключа, входом третьего управл емого ключа, вторым выводом трансформатора обратной св зи и с катодом третьего рекуперирующего диода, анод которого соединен с отрицательной шиной питани ,.анод четвертого рекуперирующего диода

   соединен с выходом и входом соответственно

   третьего и четвертого управл емых ключей,

   средн   точка первичной обмотки трансформэтора обратной св зи подключена к общей

   шине, от ли чающийс  тем, что, с целью

   расширени  динамического диапазона регулировани  выходного напр жени  и повышени  стабильности выходного напр жени  при

   изменении нагрузки, введены последователь- но соединенные второй элемент И-НЕ и третий элемент совпадени , последовательно соединенные третий элемент И-НЕ и четвертый элемент совпадени , последовательно соединенные втора  катушка индуктивности и второй конденсатор, второй вывод кот орого соединен с вторым выводом, первичной обмотки выходного трансформа- тора и вторым выводом первого конденсатора , при этом другой вывод второй катушки индуктивности соединен с анодом второго

   рекуперирующего диода, точка соединени  второй катушки индуктивности и второго конденсатора подключена к второму выводу первой катушки индуктивности, вход третьего элемента И-НЕ соединен с точкой соединени  катода первого выпр мительного диода и одного из входов второго сумматора , вход второго элемента И-НЕ соединен с точкой соединени  катода второго выпр мительного диода.и одного из входов

   первого сумматора, вторые входы третьего и четвертого элементов совпадени  подключены к выходам соответственно перво- го и второго элементов совпадени Гвыход третьего элемента совпадени  подключен

   к одному из входов первого сумматора, выход четвертого элемента совпадени 

   подключен к одному из входов второго сумматора.

   Ns.

   Й

   Фиг.2.